Мифы из прошлого: срок хранения аккумуляторов

Авторемонтный бизнес — сугубо профессиональная, не терпящая дилетантства сфера деятельности. Однако, к сожалению, некомпетентность, а нередко даже откровенная безграмотность отдельных горе-специалистов, все еще живущих вчерашним днем, способствует мифотворчеству и широкому распространению недостоверной, ложной информации.

Один из таких мифов связан с аккумуляторными батареями. В последнее время все чаще стало звучать мнение (из околоавтомобильных СМИ, интернет-форумов и так далее) о том, что АКБ можно приобретать лишь «свежими» — якобы только в этом случае они будут работать надлежащим образом, исправно реализуя свои функции. При этом, что удивительно, никаких четких сроков и иных конкретных параметров, по которым следовало бы определять и дифференцировать эту «свежесть», не приводится.

Подобные разговоры приобрели такое широкое распространение и весомость, что люди стали очень настороженно относиться к аккумуляторам, с момента выпуска которых прошло год-полтора, а нередко даже и менее того. Они отказываются их покупать, считая «старыми», требуют дополнительных гарантий, просят заменить, опять же, «более свежими», и прочее. Но никоим образом не могут объяснить, что в их представлении является нормой этой пресловутой «свежести».

Данная проблема, кстати, — сугубо российский феномен. В любой другой стране мира потребителю и в голову не придет проверять дату изготовления АКБ и уж, по крайней мере, придавать ей такое значение, поскольку автомобильный аккумулятор даже с большой натяжкой ни в каком случае нельзя отнести к категории скоропортящихся товаров. Главное, чтобы продекларированные производителем технические характеристики были выдержаны. У нас же, как обычно, все по-другому, мы и тут идем своим «уникальным путем», пытаясь отыскать крамолу даже в невинных цифрах даты производства.

Обоснованно ли такое мнение? Отчасти — да. Но это «отчасти» обусловлено лишь вопиющей безграмотностью и непрофессионализмом некоторых индивидуумов, вообще не следящих за развитием технологий и не интересующихся последними инновациями, хотя сфера их деятельности обязывает быть более внимательными и вдумчивыми. Дело в том, что АКБ предыдущих поколений действительно имели достаточно высокий уровень так называемого саморазряда — потери емкости при бездействии. Но современные автомобильные аккумуляторы лишены этого недостатка и могут храниться без ущерба своим техническим характеристикам достаточно продолжительное время (естественно, при условии неукоснительного соблюдения основных правил хранения). Для того чтобы понять, почему это так, нужно хотя бы в общих чертах ознакомиться с последними технологиями производства АКБ.

Огонь, батарея!

Классифицировать автомобильные стартерные аккумуляторные батареи можно по-разному. Во-первых, они могут быть малообслуживаемыми (с решетками из свинцово-сурьмянистого сплава с малым содержанием сурьмы), необслуживаемыми («гибридные» и «кальциевые»), полностью необслуживаемыми (герметизированные со связанным электролитом). Во-вторых, АКБ можно дифференцировать по составу сплава решетки:

  • PbSb — положительные и отрицательные решетки изготовлены из свинцово-сурьмянистого сплава с содержанием сурьмы до 2,5 %;
  • «Гибрид» — положительные решетки выполнены с добавкой сурьмы, отрицательные — с добавкой кальция;
  • PbCa — положительные и отрицательные решетки свинцово-кальциевые.

В-третьих, батареи разделяются по технологии изготовления решетки: отливка (PbSb, PbCa), просечка и последующая растяжка (PbCa), штамповка (PbCa).

Так вот, быстрый саморазряд (в среднем за 4 месяца степень заряженности падает на 60 %) характерен для теперь уже фактически «реликтовых» сурьмянистых стартерных батарей. Именно им мы и обязаны распространяемому сегодня мифу о необходимой для нормальной работы «свежести» АКБ.

Помните такие? Эбонитовые корпуса, ячеистые крышки… В то время требования к исполнению АКБ были невысоки, КПД батареи был очень низким. А между тем на характеристики саморазряда напрямую влияет чистота применяемых материалов.

Сегодня в русле тенденции, направленной на экономию материала, актуальность получил коэффициент использования свинца в батарее — грубо говоря, сколько грамм свинца нужно, чтобы получить 1 А•ч. Это позволяет делать АКБ чрезвычайно технологичными. На протяжении всего срока службы (на 4–5 лет их хватает с лихвой) можно вообще не доливать дистиллированную воду в большинстве случаев. Это стало возможным благодаря применению более чистых технологий и переходу от сурьмы к кальцию. Данные материалы добавляются в сплав для того, чтобы придать решетке большую жесткость, — свинец, как известно, очень мягкий металл, — но при этом сурьма способствует обильному выделению газов при заряде. Доливка туда дистиллированной воды, которая, кстати, тоже не всегда отличается кристальной чистотой, приводит к тому, что саморазряд увеличивается.

Параллельно менялись и технологии изготовления решетки. Сначала пластины изготавливались из сурьмы методом отливки. Литье под давлением — обычная технология, известная с незапамятных времен. Не самая совершенная, но на определенном этапе она позволяла с успехом решать стоящие перед производителем задачи и делать решетки определенной формы.

Так бы, наверное, и продолжалось по сей день, если бы не необходимость обслуживания изготовленных по данной технологии батарей. Основной массе автолюбителей это обслуживание было, мягко говоря, в тягость. Для того чтобы избавиться от столь досужливой обязанности, сурьму заменили кальцием. Но кальций при изготовлении решетки методом литья выгорает. Поэтому пришлось искать новую технологию производства. Ею стала технология просечки и растяжки (металлический валик равномерно прорубается — «просекается» и растягивается в ромбовидные, расположенные в шахматном порядке ячейки).

В первом десятилетии 2000-х годов это была самая современная технология. Тем не менее и она не лишена недостатков: решетка может иметь только строго установленный дизайн, и никакой другой. К тому же у нее не может быть рамки, потому что решетки нарезаются (имея определенную длину) из получающейся в итоге просечно-растяжной ленты.

То есть технологов снова озадачили разработкой более приемлемого процесса производства, и он не заставил себя долго ждать. Штамповка (или, точнее, вырубка; по-английски она именуется punching, что означает «перфорирование», «пробивание [пробивка] отверстий») — вот прекрасное решение всех проблем. К ней обратились во второй половине первой декады 2000-х и стали постепенно внедрять.

Отлитая металлическая заготовка многократно вальцуется до придания формы тонкой пластины. Затем на ней аккуратно, в несколько стадий выдавливают отверстия с определенным рисунком. Сразу плюсы: теперь можно получить самый оптимальный дизайн решетки, позволяющий создавать большую плотность тока там, где это необходимо. Это очень важно, особенно для положительной пластины, потому что на нее приходится основная нагрузка.

К тому же штампованная решетка имеет рамку, значение которой трудно переоценить, ведь положительная решетка склонна в процессе эксплуатации корродировать и расти в размерах, как бы разбухать — ее сечение увеличивается. В результате без рамки она легко ломается или замыкает через сепаратор.

Метод просечки и растяжки лишен подобного преимущества, поскольку, как уже было сказано выше, не дает возможности каким-либо образом распределять жилки для достижения максимальной эффективности. Из-за этого такие батареи нередко выходят из строя раньше времени.

Еще одно достоинство штамповки/вырубки — более качественное изготовление и большая стабильность с точки зрения коррозии. Как следствие — увеличенный срок службы аккумуляторной батареи. Причем из строя она выходит уже отнюдь не по причине коррозии.

Ну и еще один положительный эффект — штамповка более экономичная и производительная. Скорость выпуска таких пластин — 600 штук в минуту, просечных — 300–400 единиц, отливных — 4–5 штук.

Как отмечают специалисты, сам по себе метод штамповки известен давно, но делать с его помощью качественную стабильную свинцовую решетку научились буквально лет пять назад.

Теперь о принципиально важном, о самой сути — изменении состояния батарей в процессе хранения. Степень заряженности «гибридных» АКБ при бездействии снижается до уровня 40 % (это около 12,4–12,5 В) примерно через 14 месяцев, батарей типа «кальций — кальций» (и положительная, и отрицательная пластины изготовлены из кальция) — через 18–20 месяцев.

То есть главное — современные технологии позволяют выпускать аккумуляторы, способные храниться и год, и полтора без потери своих качеств, а по истечении этого срока и подзарядки их можно продолжать хранить дальше и затем успешно использовать.

Сроки, сроки

Но, как бы хороша ни была аккумуляторная батарея, корректное хранение — вопрос, играющий принципиальную роль в поддержании ее функциональных способностей и технических характеристик на изначальном уровне. Правила хранения до продажи достаточно просты, но их необходимо строго соблюдать:

  • хранить в сухом прохладном месте (температура 0…15 °С);
  • учитывать дату производства при хранении и отгрузке;
  • проводить периодический выборочный контроль НРЦ (напряжение разомкнутой цепи — напряжение без нагрузки; раньше использовалась ЭДС);
  • сокращение срока логистики батареи от производителя к потребителю: надо понимать, что, тем не менее, аккумуляторная батарея — это не та запчасть, которая может лежать на складе годами, батареи должны продаваться как минимум в течение года; и не забывайте, что гарантийный срок после продажи конечному потребителю начинает исчисляться именно от даты продажи, а не производства, даже если АКБ пролежала на складе 18 месяцев;
  • при снижении НРЦ менее 12,5 В батарея нуждается в подзарядке;
  • не рекомендуется продавать батареи с напряжением ниже 12,6 В.

Специалисты единодушны: общее время хранения залитых и заряженных батарей с момента производства до продажи конечному потребителю не должно превышать:

  • 18 месяцев — максимальный срок хранения без подзарядки для кальциевых батарей;
  • 12 месяцев — для батарей с гибридной технологией.

Аккумуляторные батареи в сухозаряженном исполнении могут храниться до трех лет. При активации после заливки и пропитки, если НРЦ ниже 12,5 В, рекомендуется подзарядка.

С другой стороны, при покупке АКБ, чтобы удостовериться в качестве приобретаемого товара (исключительно для личного спокойствия — у дилеров известных фирм-производителей обычно при хранении проблем не возникает), в принципе, достаточно проверить вольтметром НРЦ. Никаких специальных тестеров не требуется. Просто убедитесь, что НРЦ — не ниже 12,5–2,6 В (у полностью заряженной батареи НРЦ составляет где-то 12,8 В). Важны именно десятые доли. Аккуратный внешний вид и целостность упаковки подразумеваются по умолчанию.

Актуальная тема

Статистика дорожных неисправностей свидетельствует о росте проблем с аккумулятором в зимний период. Это не удивительно. Энергопотребление растет, эксплуатационные характеристики ухудшаются — в холодное и влажное время года автомобильные аккумуляторы подвергаются наибольшей нагрузке. Вот почему не только для старых, но и вообще для всех автомобилей проверка батареи должна быть такой же неотъемлемой частью осеннего техобслуживания, как и проверка работы освещения или смена шин на зимние. По статистике дорожных неисправностей, собираемой автоклубами, каждую зиму первое место занимает аккумулятор, который не способен завести автомобиль.

Одна из главных причин: в холодное время года значительно повышается энергопотребление — включен обогрев заднего стекла и сидений, вентилятор работает на полную мощность. В особенности при коротких поездках генератор не успевает полностью восстановить заряд батареи для следующего запуска. Одновременно с этим ухудшаются эксплуатационные характеристики аккумулятора, поскольку при низких температурах химические процессы протекают медленнее. Поскольку многие автолюбители не задумываются о состоянии своего аккумулятора, мастерские должны еще до начала зимнего сезона проверить и, если необходимо, заменить батарею для своих клиентов. Это позволит СТО лучше организовать выгодный для них бизнес и обеспечит автомобилистам безопасную и беспроблемную зиму.

Сейчас на российском рынке для легковых автомобилей предлагаются в основном лишь «гибридные» аккумуляторы или батареи типа «кальций — кальций».

Но как понять, по какой технологии изготовлена батарея? Визуально это, как правило, не определить — на этикетке может быть написана масса красивых иностранных слов в превосходной степени, вроде: «супергигаплатинум» или «гипермегакальций», однако ясности они не вносят. Это лишь маркетинговые изыски ушлых продавцов, абсолютно не проливающие свет на то, из чего и как на самом деле сделаны положительная и отрицательная пластины. Поэтому точную информацию о конструкции АКБ можно получить лишь из более достоверных источников — сопроводительной документации, сайта производителя и прочих.

Впрочем, в принципе на рынке есть место любым видам аккумуляторов: одним автолюбителям нравится самостоятельно обслуживать батареи, они умеют это делать правильно. Такие люди приобретают батареи предшествующих поколений, покупают дистиллированную воду и сами «химичат» вечерами дома или в гараже. Другие, напротив, не хотят ни о чем думать. Им нужны АКБ более современные. И хороший рынок должен предоставлять такой выбор.

Как выбрать автомобильный аккумулятор, который прослужит вам долго

Автомобильный аккумулятор подвергается постоянным экстремальным нагрузкам, значительно сокращающим его ресурс. Среди современных источников нагрузок находятся растущее количество энергопотребителей, а также езда в городских пробках, которая ведет к перегреву батареи и хроническому недозаряду из-за низких оборотов двигателя.

После 2-3 лет такой эксплуатации, а иногда и раньше, многие автовладельцы сталкиваются с проблемой замены штатной АКБ. Но как выбрать правильный аккумулятор? На что обратить внимание, чтобы аккумулятор прослужил вам дольше?

Многие продавцы традиционно вам посоветуют определенных производителей, порекомендуют приемлемую для вашего автомобиля емкость и, в лучшем случае, пусковой ток. Но помимо стандартных показателей, указанных на этикетке, важно понимать скрытые внутри технологические нюансы, которые впрямую влияют на срок службы вашего аккумулятора.

Перед нами версия аккумулятора TYMEN BATTERY PREMIUM. Данная серия предназначена для автомобилей с традиционной системой зарядки, т.е. с постоянным зарядом от генератора во время работы двигателя. Посмотрим, в чем основные отличия данной батареи и что ей помогает справляться с основными проблемами малого срока службы аккумуляторных батарей.

При производстве TYMEN BATTERY PREMIUM используются наиболее современные технологии, уменьшающие степень износа и увеличивающие срок службы батарей на 25% по сравнению со стандартными моделями производителя.

1. Изготовление решетки электрода аккумулятора методом штамповки.

Суть технологии заключается в том, что отлитая металлическая заготовка многократно прессуется до придания формы тонкой пластины. Затем на ней аккуратно, в несколько стадий выдавливают (штампуют) отверстия с определенным рисунком.

Данная технология обладает следующим преимуществами перед технологиями-предшественниками (литье и высечка): можно получить нужный дизайн решетки, позволяющий создавать большую плотность тока там, где это необходимо. Это очень важно, особенно для положительной пластины, потому что на нее приходится основная нагрузка. Снижается внутреннее сопротивление на 20-30%, увеличиваются электрические характеристики АКБ. Форма решетки и структура ее поверхности позволяет обеспечить более высокую адгезию с активной массой (пастой), что также повышает надежность работы аккумулятора. К тому же штампованная решетка имеет рамку, значение которой трудно переоценить, ведь положительная решетка склонна в процессе эксплуатации подвергнуться коррозии и увеличиться в размерах. В результате без рамки она легко ломается или замыкает через сепаратор. Таким образом, полная рамка обеспечивает жесткость и механическую прочность решетки, производители заявляют об увеличении срока службы штампованных токоотводов до 2 раз по сравнению с аналогами.

2. Увеличение прочности активной массы электродов.

Аккумуляторная батарея работает в циклическом режиме, то есть периодически разряжается и заряжается, активный материал пластин находится в движении, высвобождая электричество, хранимое в АКБ. Каждый раз, когда АКБ заряжается и разряжается, небольшая часть активного материала пластины утрачивается безвозвратно, сокращая токовые характеристики и срок службы аккумулятора.

Армирующий каркас из специальных X-образных волокон в активной массе пластин аккумулятора предотвращает ее осыпание в процессе эксплуатации, что увеличивает срок службы аккумулятора.

3. Герметизированная необслуживаемая конструкция.

На самом деле это целый блок технологий, направленных на то, чтобы автовладельцы совершали минимум операций по обслуживанию аккумулятора, т.е. не доливали воду в течение срока службы АКБ. В связи с этим срок службы АКБ более чем удвоился. Батарею необходимо только периодически подзаряжать и то в случае если по какой-то причине вы ею не пользовались.

Необслуживаемость батареи достигается путем добавления в решетку сплава кальция и наличием специальной конструкции крышки с системой рекомбинации газов (двойная крышка).

В прошлом решетки АКБ изготавливали из сплава свинца с добавлением до 10% сурьмы. Сурьма увеличивала прочность решетки, так как чистый свинец очень мягок. Но к сожалению, часть сурьмы растворялась в кислоте, и батарея теряла воду. По мере усовершенствования аккумуляторных технологий содержание сурьмы снизилось с 10% до 1,5%, — такое снижение сделало АКБ малообслуживаемыми, теперь они требовали внимания лишь один раз в полгода. Последним усовершенствованием стало добавление вместо сурьмы 0,1% кальция для придания прочности решеткам (так называемые «кальциевые» аккумуляторы). В результате, электролит теперь меньше загрязняется, а потери воды значительно снизились. Такие аккумуляторы получили название необслуживаемые, так как долив воды в них не требуется на протяжении всего срока службы батареи.

Кроме того в аккумуляторе, оснащенной крышкой с системой рекомбинации газов, вода, испаряющаяся внутри аккумулятора, конденсируется в лабиринте второй крышки и возвращается обратно в аккумулятор. Таким образом, становится возможным значительно снизить расход воды в процессе эксплуатации батареи.

С помощью этих технологий срок службы аккумуляторной батареи TYMEN BATTERY PREMIUM может достигать 6-7 лет, что практически вдвое превышает средний срок жизни аккумуляторов, эксплуатирующихся в российских условиях.

Поэтому всем автовладельцам рекомендуем еще до покупки аккумулятора изучить материальную часть и обращать внимание на применяемые технологии при окончательном выборе.

Аккумуляторы нового поколения

Новое поколение аккумуляторов в десять раз увеличит время работы мобильных устройств и сделает электромобили конкурентоспособными на рынке. В этой статье мы расскажем про самые перспективные разработки.

В отношении аккумуляторов действует правило «все или ничего». Без энергетических накопителей нового поколения не будет ни перелома в энергетической политике, ни на рынке электромобилей.

Закон Мура, постулируемый в IT-индустрии, обещает увеличение производительности процессоров каждые два года. Развитие аккумуляторов отстает: их эффективность увеличивается в среднем на 7% в год. И хотя литий-ионные батареи в современных смартфонах работают все дольше и дольше, это во многом связано с оптимизированной производительностью чипов.

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ БАТАРЕИ ДОМИНИРУЮТ НА РЫНКЕ ИЗ-ЗА ИХ МАЛОГО ВЕСА И ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ НАКАПЛИВАЕМОЙ ЭНЕРГИИ.

Ежегодно миллиарды аккумуляторов устанавливаются в мобильные устройства, электромобили и системы для хранения электричества от возобновляемых источников энергии. Однако современная техника достигла своего предела.

Хорошей новостью является то, что следующее поколение литий-ионных батарей уже почти соответствует требованиям рынка. В качестве аккумулирующего материала в них применяется литий, который теоретически позволяет в десять раз увеличить плотность хранения энергии.

Наряду с этим приводятся исследования других материалов. Хотя литий и обеспечивает приемлемую плотность энергии, однако речь идет о разработках на несколько порядков оптимальнее и дешевле. В конце концов, природа могла бы предоставить нам лучшие схемы для высококачественных аккумуляторов.

Научно-исследовательские лаборатории университетов разрабатывают первые образцы органических аккумуляторов. Однако до выхода таких биобатарей на рынок может пройти не одно десятилетие. Мостик в будущее помогают протянуть малогабаритные батареи, которые заряжаются путем улавливания энергии.

Мобильные источники питания

По данным компании Gartner, в этом году будет продано более 2 млрд. мобильных устройств, в каждом из которых установлен литий-ионный аккумулятор. Эти аккумуляторы сегодня считаются стандартом, отчасти потому, что они весьма легкие. Тем не менее они обладают максимальной плотностью энергии только 150-200 Вт·ч/кг.

Литий-ионные батареи заряжаются и отдают энергию путем перемещения ионов лития. При зарядке положительно заряженные ионы двигаются от катода через раствор электролита между слоями графита анода, накапливаются там и присоединяют электроны тока зарядки.

При разрядке они отдают электроны в контур тока, ионы лития перемещаются обратно к катоду, в котором они вновь связываются с находящимся в нем металлом (в большинстве случаев — кобальтом) и кислородом.

Емкость литий-ионных аккумуляторов зависит от того, какое количество ионов лития может располагаться между слоями графита. Однако благодаря кремнию сегодня можно добиться более эффективной работы аккумуляторов.

Для сравнения: для связывания одного иона лития требуется шесть атомов углерода. Один атом кремния, напротив, может удерживать четыре иона лития.

Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития).

Кремний повышает емкость

Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.

Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius, созданном учеными из Стэндфордского университета. Проект Amprius получил поддержку таких лю­дей, как Эрик Шмидт (председателя совета директоров Google) и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу (до 2013 года – министр энергетики США).

Пористый кремний в аноде увеличивает эффективность литий-ионных аккумуляторов до 50%. В ходе реализации стартап-проекта Amprius же произведены первые кремниевые аккумуляторы.

В рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них — применение пористого кремния, который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.

Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок. В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).

«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.

Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния, которые непосредст­венно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.

Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.

Эффективные аккумуляторы

Эффективность элементов питания напрямую связана с плотностью энергии химических веществ. График ниже показывает, что комбинации материалов, например, литий-сера или металл-воздух, значительно лучше аккумулируют энергию. Литиево-серные (LiS) аккумуляторы обеспечивают усовершенствование катода: сера в катоде, так же как и кремний в аноде, может накапливать больше лития.

В следующем поколении аккумуляторов используются сера и цинк. Большим потенциалом обладают только биоаккумуляторы.

Ранее разработанные LiS-прототипы со значением 350 Вт·ч/кг обеспечивают большую плотность энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, однако они тоже не достигли предела. На пути увеличенной эффективности стоят две проблемы: теоретическая плотность энергии на практике может быть достигнута только в том случае, если использовать в аноде чистый литий.

Сера может хранить больше лития в катоде, что увеличивает плотность энергии. Литий-серные аккумуляторы (разработка университета Беркли) дополнительно используют оксид графена как переносчик энергии и дезинфицирующее средство (СТАВ) в качестве защитного слоя.

Это затруднительно, так как он реагирует с электролитом. Однако то же самое делает и сера, а именно — ионы полисульфида, которые подобным же образом перемещаются к аноду и там разлагают литий или осаждаются в форме сульфида лития Li2S. Такой аккумулятор выдерживает лишь небольшое число циклов зарядки.

Команде исследователей общества Фраунгофера под руководством профессора Хольгера Альтуэса удалось «защитить» серу. Они «обернули» ее углеродной оболочкой и использовали аналогичную оболочку на аноде. Прототип выдержал две тысячи циклов зарядки.

К 2020 году Альтуэс ожидает выхода на рынок LiS-аккумуляторов с плотностью энергии около 600 Вт·ч/кг, что примерно втрое превышает значения литий-ионных аккумуляторов.

Хранение энергии

Цинково-воздушные аккумуляторы пригодны для не слишком тяжелых устройств, так как при разрядке они используют кислород. Специалисты стартап-проекта Imprint Energy разработали подобный гибкий аккумулятор, подходящий для применения в лэптопах.

Химическую реакцию лития с кислородом используют металл-воздушные аккумуляторы: при разрядке атомы металла в аноде реагируют с кислородом воздуха и выделяют электроны. Затем они перемещаются через электролит в форме ионов к катоду. Потенциальная плотность энергии (1100 Вт·ч/кг) намного превышает значения литий-ионных аккумуляторов.

Цинково-воздушные батареи применяются уже давно, однако цинк разрушается при разрядке. Чтобы этого не происходило в аккумуляторах, во время подзарядки кислород на катоде должен быть удален.

Таким образом из ионов металла вновь возникает цинк. Кроме того, требуется особый катализатор, такой как раствор калия, в качестве защиты от воздуха для цинкового электрода с целью предотвращения его нежелательного окисления.

В стартап-проекте Imprint Energy разработаны даже готовые к печати аккумуляторы с полимерным катализатором, которые благодаря своей гибкости превосходно подходят для малогабаритных уст­ройств.

Поскольку для цинково-воздушных аккумуляторов требуется постоянный обмен воздуха, они мало пригодны для мобильных устройств, однако в будущем смогут использоваться в электромобилях, тем более что они не содержат горючих материалов. Накопленная энергия едва ли уменьшается в течение десятилетий, что делает эти аккумуляторы весьма интересными.

Использование сил природы

В современных аккумуляторах электроны испускают только твердые материалы. Но существует также концепция окислительно-восстановительного потока или жидкостных ячеек: две растворенные соли металлов перемещаются рядом в отдельных контурах. Они приводятся в движение с помощью насосов и соприкасаются на проницаемой мембране. Происходит ионообмен, а ячейка разряжается и вновь заряжается при подаче тока.

Такая система имеет смысл для применения в электромобилях: вместо того, чтобы тратить многие часы на зарядку автомобиля от розетки, его можно заправить, как это делается сегодня с применением бензина. При этом необходимо просто заменить отработанную жидкость новой, после чего жидкостный аккумулятор будет вновь заряжен.

На Женевском автосалоне в 2014 году был представлен подобный автомобиль (Quante), дальность поездки которого якобы составляет 600 км, однако данные получены только в процессе моделирования. Ответы на проблемы материалов жидкостных ячеек до сих пор могут дать только исследовательские лаборатории.

Автомобиль Quant массой 2,3 т приводится в действие от 400-литровой жидкостной ячейки и якобы предлагает дальность поездки около 600 км.

В Массачусетском технологическом институте разработана жидкостная ячейка без мембраны, в которой две жидкости в процессе ионообмена не смешиваются при ламинарном течении. Благодаря этому исследователи смогли работать с бромом, который во время разрядки восстанавливается до бромоводорода. Использование брома позволит еще вдвое увеличить плотность энергии ванадиево-жидкостной ячейки.

Аккумуляторы, действующие на принципе окислительно-восстановительного потока (разработка Гарвардского университета), дости­гают восьмикратной плотности энергии по сравнению с жидкостными ячейками. Для этого они используют AQDS (антрахинон-дисульфонат) и бромид, получаемые из ревеня. Электроды освобождаются и заряжаются путем обмена ионами водорода.

Биоаккумуляторы побеждают всех

Органические вещества очень хороши в качестве энергоносителей. Они недороги и, как правило, не ядовиты. Исследователи Гарвардского университета разработали жидкостную ячейку, извлекающую энергию хранения из антрахинона-дисульфоната (AQDS) — составной части ревеня. Однако они не могут отказаться от использования брома.

Энергия из сахара

Аккумулятор, разработанный в Виргинском техническом колледже, в качестве накопителя энергии использует сахар (мальтодекстрин), который разрушается ферментами при разрядке. В нем достигается примерно десятикратная плотность энергии по сравнению с литий-ионными моделями.

Пока неясно, сможет ли выдержать биоячейка несколько тысяч циклов зарядки, однако барьер в несколько сотен циклов она уже преодолела.

Настолько же эффективно, как и «ревеневая ячейка», действует сахарно-воздушный аккумулятор (разработка специалистов Политехнического университета Виргинии). Плотность энергии в подобной системе почти в десять раз превышает значения современных литий-ионных аккумуляторов.

Анод из мальтодекстрина плавает в растворе различных ферментов, которые постепенно разрушают его, освобождая при этом электроны. Руководители исследовательской группы прогнозируют возможность применения «сахарных» аккумуляторов в мобильных устройствах уже через три года, однако подобные прогнозы в отношении биоаккумуляторов впоследствии оказываются малореалистичными.

Так, компания Sony еще семь лет назад заявила о разработках в области биоаккумуляторов, но с тех пор мало что произошло. Опыт показывает, что для разработки чудо-батарей требуется довольно много времени.

Зарядка без розетки

В будущем электроэнергию для смартфонов можно будет вырабатывать даже посреди лесной глуши. Исследователи из США и Китая разработали крошечные генераторы, которые способны использовать для зарядки даже самые слабые вибрации. Эти устройства состоят из поливинилиденфторида (PVDF) — материала, генерирующего ток при давлении и деформации. Как правило, фторопласты используются для уплотняющих покрытий и фильтров, а также находят применение в динамиках и микрофонах.

Новые процессоры поглощают энергию радиоволн и обмениваются при этом сообщениями, они не нуждаются в электроэнергии

Для производства генераторов в полимерную массу вводят частицы оксида цинка, которые затем растворяют соляной кислотой. В результате остается губчатая структура, изготовленная из мягкого и гибкого материала с крупными отверстиями, являющаяся чрезвычайно чувствительной к колебаниям всех видов.

Наногенераторы на базе PVDF подходят для любого современного смартфона

В конце производственного процесса получается PVDF-пленка, на которую с обеих сторон наносится тонкая медная фольга в качестве электродов. Если наногенераторы устанавливаются на смартфон, достаточно, чтобы устройство во время поездки просто лежало на пассажирском сиденье. Вибрации заряжают аккумулятор: при частоте колебаний 40 Гц прототип достиг пиковых значений 11 В и 9,8 микроампер.

Использование энергии радиоволн

Эксперты прогнозируют, что до 2020 года более 50 млрд миниатюрных устройств будут взаимодействовать друг с другом. Исследователи Вашингтонского университета разработали беспроводную коммуникационную систему, использующую энергию телевизионных сигналов и сигналов мобильной связи. Хотя КПД и невысок, однако достаточен для передачи сообщений.

В ходе тестов система отправляла до 1000 бит в секунду и использовала для этого волны ТВ-передатчиков, расположенных на расстоянии от 800 м до 11 км.

Аккумуляторы для элементов автомобиля

В электромобилях или гибридных машинах аккумуляторы обычно располагаются в багажнике. Европейский исследовательский проект StorAGE хочет устранить этот недостаток, и Volvo в качестве участника данного проекта представила решение.

Производитель разработал легкие аккумуляторы. Их электроды из углеродных волокон окружают углеродные нанотрубки, покрытые литием. Вся конструкция заливается полимерной смолой, а в качестве изолирующего слоя применяется стекловолоконный холст.

Аккумулятор получается настолько плоским, гибким и прочным, что его можно использовать в качестве несущей конструкции автомобиля.

Также с каждым движением тела мы производим небольшое количество энергии, которая может быть преобразована в ток. Генератор на колесе велосипеда — лучший пример. Было бы неплохим вариантом использовать эту энергию для подзарядки смартфона. В технологическом институте Джорджии (Атланта) исследователи изобрели генератор, который вырабатывает электричество из трения.

Он состоит из четырех плоских дисков, расположенных друг над другом. Три из них смонтированы неподвижно и выглядят как слои торта, к ним прикреплены электроды. Над ними перемещается медный диск. Когда ротор трется по расположенному под ним «куску торта» с покрытием из золота, возникает напряжение, благодаря чему генератор непрерывно вырабатывает переменный ток и обеспечивает мощность до 1,5 Вт.

Все устройство невелико и помещается в кармане: при диаметре 10 см и объеме 0,6 см3 его вес составляет1,1 г. В будущем у нас всегда будет под руками источник питания — стоит лишь немного потереть его.